CN1051522C - 具有坐标控制器的电梯有源控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明电梯系统的电梯吊舱有在大楼电梯竖井的导轨上操作的构架。电梯系统包括局部参数检测装置，它响应在整体坐标系统的五个自由度中分别检测到的局部参数，提供局部参数信号，坐标控制装置响应局部参数信号，提供坐标控制信号以及局部力发生装置，响应局部力坐标控制信号，提供坐标控制力，从而在构架与导轨间维持所需的间隙，以便相对于大楼的电梯竖井调整电梯吊舱的位置。

Description

具有坐标控制器的电梯有源控制系统

本发明涉及电梯，特别是涉及行驶性能得到改善的电梯。

电梯系统的设计总是要求其能更快、更平稳并且更灵活地在大楼的电梯竖井中上、下。近来受到重视的一个改进领域就是减少水平的振动。

惯用的电梯系统有一个带支撑构架的吊舱平台，支撑构架与设在大楼的电梯竖井中的导轨配合工作，以及一个无源悬浮系统，用于在电梯吊舱沿电梯竖井上、下移动时控制吊舱平台，支撑构架及导轨之间的机械力。例如，电梯平台通常是用硬橡胶垫与支撑构架连接，而支撑构架则是由设在四个附着点上的具有硬质弹簧的轮或是滑动杆支撑着沿导轨运动。在支撑构架与导轨之间通常具有有限的空隙。出于这一原因，不能用软弹簧，并且导轨中的任何变形都会造成吊舱平台的明显振动。此外，行驶性能通常还会受到低频机械力和高频力的影响。低频机械力是由电梯上的低频力产生的，例如由配重或大楼的抗风器或是因乘客在吊舱平台中的运动所产生的力。而高频力是在电梯沿电梯竖井上、下运动时在构架与导轨之间产生的。低频机械力具有高稳定性要求，而高频机械力具有低稳定性要求。

采用无源悬挂系统的电梯系统的缺点之一是硬弹簧和导轨的变形共同造成吊舱平台的明显振动，并且行驶性能要根据低频力与高频机械力的缓和之间的因有平衡进行折衷。这种惯用电梯的另一个缺点是会产生明显的谐波噪声，并且在导轮沿着导轨运动时被导轮传到电梯座舱上。

具有有源控制系统(以下称为“AG系统”)的电梯系统可以克服这些问题，特别是欧洲专利申请0467673号及美国专利US5,321,217；5,304,751；5,294,757；5,308,938；5,322,144号中所述的系统。AG系统具有一个有源悬浮系统，用于控制在电梯沿电梯竖井上、下运动时在电梯/座舱的支撑构架与导轨之间的机械力。在这种AG系统中，支撑构架具有与导轨配合工作的有源滚柱导轨、磁性导向头、或是其他有源水平吊架，以及一个用于独立控制一个或多个选定参数的控制器。当电梯在电梯竖井中上、下运动时，这些参数在一个伺服控制环中代表水平的振动或位移。

然而，已知的AG系统是利用局部的控制器来独立地控制每个运动轴线方向上的导向头、滚柱导轨、滑轨等等与导轨之间的机械关系。这些局部控制器不能共享信息。这种具有局部控制器的AG系统的一个缺点是，用于控制一个轴线方向的力对其他轴线方向具有不利的影响。

推荐的电梯AG系统是利用一个座标控制器来消除系统动力间的相互影响，把有效的控制转换成与电梯吊舱主轴线对准的一个整体座标系统。通过共享来自各个导向头的信息(检测及动作信息)，这一系统可使动力耦合的量减至最小(即把系统性能传递函数中的非对角线项减至最小)，由此在新的整体座标控制系统中为各个轴向产生有效的单输入/单输出(SISO)控制逻辑。相对于使用性能受到不标准且无补偿的动力干扰限制的局部控制方式的AG系统来说，这是一种改进。

本发明的目的是提供一种AG系统，其中在每个有源导向器与一个选定的对象例如导轨之间的机械关系是由坐标控制的。

根据本发明的一种电梯系统包括一个电梯吊舱，电梯吊舱具有一个构架，用于在大楼的电梯竖井导轨上操作，该系统的特征在于包括：

局部参数检测装置，它响应在整体坐标系统的五个自由度上分别测得的局部参数，提供局部参数信号；

坐标控制装置，它响应局部参数信号，用于提供坐标控制信号；以及

局部力发生装置，它响应坐标控制信号用于提供坐标局部力，以便在构架与导轨之间维持所需的间隙，从而相对于大楼的电梯竖井调整电梯吊舱的位置，其中电梯吊舱在整体坐标系统中的刚体运动在运动学上受到至少五个自由度的限制，这其中包括沿X轴的左右平移，沿Y轴的前后平移，绕X轴的俯仰转动，绕Y轴的横向转动，以及绕Z轴的左右转动。

本发明的特征是一种电梯AG系统，包括一个具有构架的电梯吊舱，该吊舱在大楼电梯竖井的导轨上运行。电梯吊舱具有一个刚性体在动力学上由五个自由度所限定的一个整体座标系统(X、Y、Z)中运动，这五个自由度包括沿着X轴的左右平移，沿Y轴的前后平移，绕X轴的俯仰转动，绕Y轴的横向转动，以及绕Z轴的左右转动。电梯AG系统中包括局部参数检测装置，它响应在整体坐标系统(X、Y、Z)的五个自由度上分别检测到的局部参数，提供局部参数信号；坐标控制系统，它响应局部参数信号，用于提供坐标控制信号；以及局部力发生装置，它响应坐标控制信号，用于提供局部坐标力，从而以坐标形式维持所需的参数。

本发明的特征是提供了一种具有坐标控制器的AG系统，利用来自所有有源导向器的检测信息，并同时为所有有源导向器产生联动的力和位移。实际上，坐标控制器协调整个控制系统，使系统的动力耦合减至最小，并且有效地消除系统动力间的相互影响，从而获得最大的位置反馈控制(保持吊舱精确地对准其运行范围的中心)的反馈带宽，并最大限度地获得加速度反馈控制(以减小吊舱的水平振动量并由此降低磁定位稳定性)。

对于有源磁性控制(AMG)系统来说，坐标控制器是一种重要的改进，因为其具有导向头与导轨之间相对很小的公差(仅有几毫米)所要求的高的磁定位稳定性，并且在使失衡的吊舱对准中心时所需的很大的反作用力也需要这种很高的磁定位稳定性。

不仅如此，AG系统还可以结合导轨分布数据的已知经验数据在电梯系统中进行坐标控制，从而尽量减小由导轨感生的吊舱振动，这样就能省去用于位置参照的导向线(见美国专利US 4,754,849)。

本发明进一步的优点是减少了座舱振动、噪声强度以及电梯系统的维修。特别是本发明可以把座舱振动强度减少到指定的量值。

为了更充分地说明本发明的性质和目的，以下结合附图对本发明做更详细的描述，在附图中：

图1是本发明的电梯AG系统的一个框图；

图2是在一个AMG系统中的电梯吊舱12的示意图；

图3是图2所示电梯吊舱的一个有源磁导向头的顶视图；

图4是图3所示的有源磁导向头沿左右轴线方向的侧视图；

图5是图3所示的有源磁导向头沿前后轴线方向的侧视图；

图6是图1中所示的坐标控制器的数学模型的框图；

图7是图6所示的位置反馈控制器100的硬件框图；

图8是图6中所示的反馈补偿器的软件框图；

图9用模拟框图的形式示出了图6中的加速度及位置反馈补偿器的单一自由度磁定位控制方式；

图10是采用100牛顿间隔时获得的位置对时间曲线；

图11(a)和(b)示出了GH传递函数的Bode曲线和从力输入到位置输出的反向闭环响应；

图12(a)和(b)示出了另一种GH传递函数的Bode曲线和从力输入到位置输出的反向闭环响应；

图13(a)和(b)示出了控制器的频率响应；

图14(a)和(b)示出了控制器的响应，而图14(c)示出了图14(b)的响应所用的一个滤波器。

I.AG电梯系统概述

图1示出了一个有源控制(AG)电梯系统2，用于控制电梯吊舱12在大楼(未示出)的电梯竖井(未示出)中的水平位移。图2中示出了电梯吊舱12的细节，它包括具有四个导向头10、20、30、40的吊舱构架13，本例中的导向头是磁性导向头。然而，应该认识到，本发明的控制系统可以应用于具有任何类型的多个有源导向器的电梯系统，其中包括有源滚柱导轨、有源滑动导轨等等。吊舱12沿着轨道上、下运动，轨道即图3-5中的导轨20a。在图2所示的情况下，AG电梯系统2是这样一种有源磁性控制(AMG)系统，它把电梯吊舱12相对于电梯竖井(未示出)的整体位置作为导向头与轨道间的局部位置的函数来进行控制。

图1所示电梯系统2的主要特征是具有一个局部参数检测装置14，一个坐标控制器16，一个局部力发生装置18，它们相互配合，相对于一个选定的对象控制电梯吊舱12的水平运动。

以图2为例，局部参数检测装置14响应在具有X、Y、Z轴的整体座标系统GCS中的五个刚体自由度上分别检测到的局部参数，提供局部参数信号Gm，Am。例如，局部参数信号Gm，Am包括在导向头10、20、30、40与导轨(未示出)之间检测到的气隙Gm，以及在导向头10、20、30、40上检测到的局部加速度信号Am。局部参数检测装置14响应由虚线12a代表的局部参数，在线14a上提供有关的局部检测参数信号。以下结合图3-5详细说明图2中所示的局部参数检测装置14。

图2中的座标控制装置16响应局部参数信号Gm，Am，在线16a上提供坐标控制信号CC_x1、CC_x2、CC_y1、CC_y2、CC_y3。图2中的坐标控制装置16在下文中将参照图6、7、8、9及9(a)详细说明。坐标控制装置16利用从所有导向头上收集来的局部参数信号Gm，Am形成的信息，以协调的方式在线16a上提供坐标控制信号CC_x1、CC_x2、CC_y1、CC_y2、CC_y3，同时协调电梯吊舱12的多轴向运动。

局部力发生装置18响应线16a上的坐标控制信号CC_x1、CC_x2、CC_y1、CC_y2、CC_y3，在虚线18a上提供协调的局部力FX₁、FX₂、FY₁、FY₂、FY₃，保持在导向头10、20、30、40与导轨之间的所需间隙，从而相对于大楼的电梯竖井调整电梯吊舱的位置。局部力发生装置18可以由下述的磁驱动器/电磁铁构成。

如图2所示，电梯吊舱12的刚体运动在运动学上被限制在具有X、Y、Z轴的整体坐标系统GCS的五个自由度中，即沿着X轴的左右平移，沿着Y轴的前后平移，绕X轴的俯仰转动，绕Y轴的横向转动，以及绕Z轴的左右转动。如图所示，整体坐标系统GCS的原点处于电梯吊舱12的几何(或质量)中心。左右直线平移X_C在整体坐标系统GCS中是沿着X轴测量的，并且力F_X被限定在沿X轴的方向上。前后直线平移Y_C在整体坐标系统GCS中是沿着Y轴测量的，并且力F_Y被限制在沿Y轴的方向上。俯仰转动θ_X在整体坐标系统GCS中是绕着X轴转动测量的，并且转矩M_X被限制在X轴周围。横向转动θ_Y在整体坐标系统GCS中是绕着Y轴转动测量的，而转矩M_Y被限制在Y轴周围。左右转动θ_Z在整体坐标系统GCS中是绕Z轴转动测量的，并且转矩M_Z被限制在Z轴周围。图2中所示的三个旋转箭头各自表示绕着相应轴线的正转矩方向。(为了便于说明，AMG系统没有相对于Z轴的平移对电梯吊舱12的运动进行测量和控制)。

此外，每个导向头10、20、30、40各自设有包括X_i、Y_i、Z_i轴的局部坐标系统LCS₁₀、LCS₂₀、LCS₃₀、LCS₄₀。例如，导向头10的局部坐标系统LCS₁₀具有X₁轴和Y₁轴，如图所示，力F_x1和F_y1分别被限定在这些轴的方向上。导向头20的局部坐标系统LCS₂₀具有X₂轴和Y₂轴，力FX₂和FY₂分别被限定在这些轴向上。导向头30的局部坐标系统LCS₃₀有X₃轴和Y₃轴，力F_x3和F_y3分别被限定在这些轴向上。导向头40的局部坐标系统具有X₄轴和Y₄轴，力F_x4和F_y4分别被限定在这些轴向上。

四个导向头10、20、30、40各自有三个相应的电磁铁，沿着各自的局部X_i和Y_i轴产生力F_x1、F_y1、F_x2、F_y2、F_x3、F_y3、F_x4及F_y4。此外假定沿着X_i和Y_i轴的局部力都穿过其各自局部坐标系统LCS_i的原点。由于在这种运动特性中增加了附加的长度参数形成的磁定位，在两个力之间的局部Z_i轴向的任何偏移都容易被计算出来。在下述的用于电梯的电梯AG系统中，局部检测装置14和局部力发生装置18都设置在导向头上，可以通过单个点计算导向头的位置。间隙检测器、加速度计和力发生器都检测或作用在电梯的同一点上。熟悉运动学分析的专业人员都可以把本发明推广到这种近似不是真实的系统中。特别要指出，本发明的运动学变换矩阵(T1、T3和T4)可以根据不同的系统几何结构进行修改。

如图2所示，局部坐标系统LCS₁₀、LCS₂₀、LCS₃₀、LCS₄₀在五个长度a、b、c、d和e的基础上与整体坐标系统GCS相联系。长度a和b限定了绕X轴的俯仰转动θ_X和绕Y轴的横向转动θ_Y的杠杆臂。长度c、d和e限定了绕Z轴的左右转动θ_Z的杠杆臂。在典型的情况下，假定a＝b，d＝e，而c＝0。以下将参照图6-8说明在AMG系统中如何使用这五个长度a、b、c、d和e。

在下述一个实施例中，电梯吊舱12的位置是在四个局部坐标系统中的三个局部坐标系统。即LCS₁₀、LCS₂₀、LCS₃₀中测量的，并且把协调的局部力F_x1、F_x2、F_y1、F_y2、F_y3也同样加在这三个局部坐标系统LCS₁₀、LCS₂₀、LCS₃₀中。测量的用处是确定电梯吊舱12与整体坐标系统GCS中的所需位置的偏差，并且需要用力使电梯吊舱12移回整体坐标系统GCS中的所需位置。在下述另一实施例中，电梯吊舱12的位置是在所有四个局部坐标系统LCS₁₀、LCS₂₀、LCS₃₀、LCS₄₀中测量的，并且把协调的局部力F_x1、F_x2、F_y1、F_y2、F_y3、F_y4加在所有四个局部坐标系统LCS₁₀、LCS₂₀、LCS₃₀、LCS₄₀中。

II.局部参数检测装置14

如图3所示，例如图2中的导向头20的一个典型的导向头包括三个电磁铁22、24和26。电磁铁22和26分别设在导轨20a的前、后方，在Y₂轴向上施加力，此外把Y₂轴也称为前-后(f/b)轴。电磁铁24的力作用在X₂轴向，X₂轴在此处也称为左右轴(s/s)。由各个磁体产生和施加的力由设在每个磁极面上的磁通检测器检测，即设在电磁铁22上的磁通检测器60、电磁铁24上的磁通检测器64以及电磁铁26上的磁通检测器62。感生的磁力与每个测得的磁通信号各自的平方成正比。由于导轨的形状，磁通检测器采用轴向磁通检测器。本发明的范围不仅限于任何特定类型的磁通检测器。例如，如果导轨的形状不同，也可以使用横向磁通检测器。

导向头20相对于导轨20a的位置是利用非接触式气隙检测器沿着X₂和Y₂轴局部测量的。如图4中所示，导向头20包括一个非接触式气隙检测器66，用于在导轨20a与电磁铁24之间沿着X₂轴测量左-右(s/s)气隙。

如图5中所示，导向头20还包括一个非接触式气隙检测器68，用于在导轨20a与导向头20之间沿Y₂轴测量前-后(f/b)气隙，非接触式气隙检测器66、68都是公知的。对来自非接触式气隙检测器66、68的信息进行处理，从而确定刚体运动的量值以及电梯吊舱12已经出现的动态吊舱扭曲现象，并用于为局部力发生装置18提供力指令。

此外，如图3所示，导向头20还可以包括设在其上的加速度计70和72。在其他三个导向头10、30、40上也设有相同的加速度计。加速度计70和72在导向头10、20、30、40上检测左-右(s/s)和前-后(f/b)吊舱加速度。测得的局部加速度信号A_m可以在下述的加速度反馈环中使用。

III.坐标控制装置16

图6示出了图1中的坐标控制装置16的细节。AG对中和振动控制系统的核心就是对包括局部气隙和加速度信号的局部参数信号进行处理的方法，从而在整体坐标系统GCS中确定等效的刚体运动。总地来说，如果整体坐标系统GCS与电梯的重心吻合，就可以获得最佳的性能(即最高的带宽位置和加速度反馈控制)，此时可以使系统响应中的动力交叉耦合量减至最小。在AG系统的坐标控制器中有四个基本的控制逻辑单元：位置反馈坐标控制器100、加速度反馈坐标控制器200、力坐标器300以及动态构架磁通控制器400，所有这些都将在下文中讨论。

在本实施例中，电梯控制系统有三个基本输入信号：在导向头10、20、30、40各自与导轨之间测得的气隙信号，由矢量G_m表示；在四个导向头10、20、30、40上测得的加速度信号，由矢量A_m表示；以及相对于电梯吊舱12在电梯竖井(示示出)中的位置测得的垂直位置，由参数V_p表示。气隙信号G_m、加速度信号A_m以及垂直位置信号V_p都会影响到坐标控制装置16，并且决定了电梯吊舱在电梯竖井中上、下运动时如何控制其运动。

A.导轨记忆系统80

图6所示的AG电梯系统12包括一个导轨记忆系统80，它采用美国专利申请07/668,544号中所述的技术以开环或超前的方式补偿导轨的不规则性。在这一技术方案中，在电梯运行期间检测出加速度和位置参数并加以组合，并且把转换成电梯垂直位置的函数的导轨偏移信息存储在计算机的存储器中，用于产生图6中所示的导轨分布缺陷图82。在工作期间，在使用电梯垂直位置查表的基础上用校正的导轨分布偏移信息把所需的气隙G_d(G_d＝G_d10、G_d20、G_d30)的值增大。例如把所需的标称气隙G_o与在电梯座舱垂直位置V_p处计算出的导轨缺陷Xr相加，由此确定所需的气隙G_d。

如图所示，导轨分布缺陷图82响应电梯吊舱12的垂直位置V_p，用于提供估算的导轨图缺陷信号Xr。加法电路84响应估算的导轨图缺陷信号Xr，并且还响应所需的标称气隙信号G_o，提供所需的气隙信号G_d，G_d代表各个导向头10、20、30、40处的所需气隙。

按照本发明，气隙信号G_m是在局部坐标系统LCS₁₀、LCS₂₀、LCS₃₀、LCS₄₀中的导向头10、20、30、40上测得的。G_m代表由五个上述的局部气隙检测器测得的实际局部气隙，用于按闭环方式与被导轨记忆信号Xr增大了的所需标称气隙G_o相比较，用于提供由所需局部气隙信号G_d中减去测得的气隙信号G_m所确定的位置误差信号G_me。如图所示，减法装置95响应气隙信号G_m和所需气隙信号G_d，以局部位置误差信号X_1pe、X_2pe、Y_1pe、Y_2pe、Y_3pe的形式提供位置误差信号G_me。

本发明的范围不仅限于使用这种导轨记忆系统80的实施例。在一个没有导轨记忆系统的AG系统12中，气隙误差信号G_m仅与所需的标称气隙信号G_o相比较，并将二者之差提供给坐标控制器16作为位置误差信号G_me。

B.位置反馈控制器100

位置反馈控制器100主要是响应局部位置误差信号G_me，用于提供坐标整体力(沿着一个轴)或转矩(绕着一个轴)位置反馈信号FC_p。局部位置误差信号G_me表示在导向头10、20、30、40与导轨之间测得的以毫米以单位的气隙尺寸，而坐标整体力或转矩位置反馈信号FC_p则代表测得的以牛顿为单位的整体力或转矩反馈，它与局部位置误差信号G_me相对应。

在导向头10、20、30、40上所需的整体坐标力或转矩位置反馈信号FC_p的分量是由下式获得的：

{FC_p}＝[C(S)][T₁]{G_me}，其中的FC_p＝[FC_XP，FC_YP，FC_MXP，FC_MYP，FC_MZP]，而[C(S)]＝diag[Ctx(s)，Cty(s)，Crx(s)，Cry(s)，Crz(s)]，G_me＝[X_1pe，X_2pe，Y_1pe，Y_2pe，Y_3pe]，矩阵T₁的数学表达式是一个供局部—整体坐标位置反馈控制器102使用的转换矩阵。这样就把局部坐标系统LCS₁₀、LCS₂₀、LCS₃₀、LCS₄₀中的气隙误差信号G_me由局部—整体坐标位置反馈控制器102转换成了GCS坐标的五个自由度中的坐标。所得的坐标整体位置误差信号X_pe、Y_pe、RX_pe、RY_pe、RZ_pe然后被送入由[C(S)]矩阵代表的位置反馈控制器104-112，由它们提供坐标整体力或转矩位置反馈补偿信号FC_xp、FC_yp、FC_Mxp、FC_Myp、FC_Mzp。

这样，坐标控制器16主要是利用在三个导向头10、20、30处由五个局部气隙检测器沿着x₁、x₂、y₁、y₂和y₃轴测得的局部气隙信号。在图示的实施例中，图4和5中的气隙检测器66和68分别提供在导向头20中沿x₂和y₂轴测得的气隙信号，而相同的气隙检测器66′、68′(未示出)则在导同头10中分别提供沿x₁、y₁轴测得的同类气隙信号，并且相同的一个气隙检测器68′(来示出)在导向头30中提供沿y₃轴测得的同类信号。熟知运动学分析理论的人员在其他导向头组分方式的其他检测器组合条件下不难获得类似的关系。

整体坐标系统GCS中的刚体运动是使用线性公式1根据来自五个局部气隙检测器的局部气隙信号确定的，公式1如下：如上文中结合图2所述，a、b、c、d和e使局部坐标系统LCS₁₀、LCS₂₀、LCS₃₀、LCS₄₀与整体坐标系统GCS相联系；X_C是左右平移；Y_C是前后平移；θ_X是俯仰转动，θ_Y是横向转动，而θ_Z是左右转动；x₁、x₂、y₁、y₂和y₃是在各个导向头10、20和30上分别测得的左右及前后测量。公式1把导向头的位置作为电梯吊舱12中心位置的函数进行预测。

公式1实际上是以下一组线性公式的简单数学表达式：

         x₁＝X_C-aθ_Y-cθ_Z，

         x₂＝X_C+bθ_Y-cθ_Z，

         y₁＝Y_C+aθ_X+dθ_Z，

         y₂＝Y_C-bθ_X+dθ_Z，以及

         y₃＝Y_C-bθ_X-eθ_Z，其中的正号表示朝图2中箭头方向的转动，而负号表示与箭头相反方向的转动。图2中的五个长度值a、b、c、d和e在T1矩阵中代表采用相同符号的系数，这种矩阵是本领域中的熟练人员公知的。

通过公式1的变换，利用公式2可以从局部气隙误差信号确定整体坐标系统GCS中的刚体运动，公式2如下：

公式2是公式1的一种变换，并可以用于把电梯吊舱12的中心位置作为导向头10、20和30的局部位置的函数来进行预测。

实际上，公式2也是以下一组线性公式的简单数学表达式：

X_C＝x₁b/(a+b)+x₂a/(a+b)+y₂c/(d+e)-y₃c/(d+e)，

Y_C＝y₁b/(a+b)+y₂(ae-be)/(a+b)(d+e)+y₃d/(d+e)，

θ_X＝x₁/(a+b)-y₂/(a+b)，

θ_Y＝-x₁/(a+b)+x₂/(a+b)，以及

θ_Z＝y₂/(d+e)-y₃/(d+e)，

解出这些等式，就可以确定整体坐标系统GCS中的坐标整体偏移误差X_C、Y_C、θ_X、θ_Y、θ_Z，也就是电梯吊舱12的中心偏离其所需中心位置的量。

局部—整体位置反馈控制器102响应局部位置误差信号X_1pe，X_2pe，Y_1pe，Y_2pe，Y_3pe，按照公式(2)提供坐标整体位置误差信号X_pe，Y_pe，RX_pe，RY_pe，RZ_pe。局部—整体位置反馈控制器102把局部坐标系统LCS₁₀、LCS₂₀、LCS₃₀中测得的局部偏移误差信号转换成整体坐标系统GCS中的坐标整体偏移误差。局部—整体对中坐标控制器102可以由模拟或数字系统来实现。如式中所示G_me是由对中控制器100处理的误差矢量的数学表达式，用于在整体坐标系统GCS中产生一组所需的力和转矩。本发明的范围不仅限于仅有五个局部输入信号的形式。例如下文所述，局部位置误差信号也可以包括在导向头40上测得的附加信号Y_4pe，这种方式并没有脱离本发明的范围。

B.加速度反馈控制器200

如图6中所示，坐标控制装置16还包括一个加速度反馈控制器200，在电梯吊舱中的阻尼和振动控制由它进行调整。

加速度反馈控制器200响应局部加速度信号A_m，用于提供坐标整体力或转矩加速度反馈信号FC_A，其中A_m＝[X_1a，X_2a，Y_1a，Y_2a，Y_3a]，而FC_A＝[FC_Xa，FC_Ya，FC_Mxa，FC_Mya，FC_Mza]。

整体坐标力或转矩加速度反馈信号在导向头10、20、30、40上所需的分量可通过下式从FC_A获得：

              {FC_A}＝[M][T₄]{A_m}，其中的M＝diag[Mtx(s)，Mty(s)，Mrx(s)，Mry(s)，Mrz(s)]，矩阵T4是由局部—整体加速度坐标控制器202使用的一个变换矩阵的数学表达式。

由加速度计70、72等等测得的加速度信号A_m由加速度反馈控制器202进行处理，采用加速度反馈补偿来缓解座舱和构架的振动。加速度信号A_m是通过局部—整体加速度坐标控制器202转换成整体坐标系统GCS中的五个自由度中的坐标的局部信号。T4是局部—整体加速度坐标控制器202使用的一个变换矩阵T4的数学表达式。

局部—整体加速度坐标控制器202响应局部加速度信号X_1a，X_2a，Y_1a，Y_2a，Y_3a，提供坐标整体加速度信号X_A，其中的X_A＝[X_a，Y_a，RX_a，RY_a，RZ_a]。在局部—整体加速度坐标控制器202中用于确定矩阵T4的变换函数在本质上很接近在上述位置反馈控制器102中用于确定矩阵T1的变换函数。

然而应该指出，如果加速度计的位置与气隙检测器的位置明显地不同，用于确定变换矩阵T1的运动学原理就会与用于确定变换矩阵T4的运动学原理不同。如果加速度计离气隙检测器很近，T1和T4的变换函数可以被认为是基本相同的。如果加速度计离气隙检测器不是很近，就应该确定一个适当的变换函数T4。

C.位置和加速度反馈补偿器

为了说明本发明电梯AG系统的某些特征，需要对分别用数学表达式C(S)和M(S)表示的位置和加速度反馈补偿器104、106、……112、204、206、……、212的结构进行分析。在下文中，假定位置反馈坐标控制器102、加速度反馈坐标控制器202以及力坐标测定器300能有效地消除系统动力间的相互影响，在此基础上对单轴控制进行分析。在这一简化的分析中，电梯动力被认为是纯惯性的，这种简化的分析不是要严格地评估这些反馈补偿器的稳定性性能，而是为了说明与补偿的方案有关的典型特征和结果。任何熟知反馈补偿技术的人员都懂得，电梯座舱及构架结构的动态特性、位置检测器及加速度计的动态响应和噪声特性、驱动器(即力发生器)的动态特性以及控制器的硬件特性都取决于位置反馈补偿器C(S)和加速度反馈补偿器M(S)的设计方案。

1.位置反馈补偿器

如图7所示，图6中示出的位置反馈控制器100可以体现为一个数字信号处理器，它包括中央处理单元100a，它通过总线100b连接到随机存取存储器(RAM)100c、只读存储器(ROM)100d和输入/输出100e。相应的局部位置误差信号X_1pe，X_2pe，Y_1pe，Y_2pe，Y_3pe在输入线100f上被接收，经过处理之后，在输出线100g上提供坐标整体位置误差信号X_pe，Y_pe，RX_pe，RY_pe，RZ_pe。需要说明的是，图7中的信号处理器仅是为了说明，它还可以被用于执行图6中所示的若干或全部功能，因此，分别出现在线100f和100g上的输入和输出信号的作用将取决于信号处理器的数量及各自执行的功能。

位置反馈补偿器104、106、108、110、112可以由图7所示的微处理器结构来实现。总之，它们分别响应坐标整体位置误差信号X_pe，Y_pe，RX_pe，RY_pe，RZ_pe，用于提供坐标整体力或转矩位置反馈补偿信号FC_xp，FC_yp，FC_Mxp，FC_Myp，FC_Mzp。数学表达式为Ctx(s)104，Cty(s)106，Crx(s)108，Cry(s)110和Crz(s)112的位置反馈补偿器104、106、108、110、112分别补偿五个刚体自由度之一。例如，位置反馈补偿器104把沿着X_c轴的坐标整体偏转误差信号转换成沿着X_c轴的坐标整体力信号，而位置反馈补偿器106则把沿Y_c轴的坐标整体偏移误差信号转换成沿X_c轴的坐标整体力信号。同样，位置反馈补偿器108、110、112分别把绕着各个X、Y、Z轴的一个对应的坐标整体误差信号转换成绕着各轴的一个相应的坐标整体转矩信号(即X转动，Y转动和Z转动)。

图8示出了用一个传统的比例—积分—微分(PID)控制器实现的位置反馈补偿器104、106、108、110和112的软件框图。位置反馈补偿器104、106、108、110和112包括一个比例增益装置120，它与一积分装置122和一积分增益装置124相并联，并且进而与一微分装置126和一微分增益装置128并联。位置反馈补偿器104还包括一个加法器130和一个低通滤波器132。位置反馈补偿器104、106、108、110和112也可以是比例—积分(PI)控制的。本发明的范围并不仅限于某种特定的位置反馈补偿器。

用于位置控制的力和转矩矢量的数学表达式为FC_P＝[FC_Xp，FC_Yp，FC_Mxp，FC_Myp，FC_Mzp]，而对角线矩阵表示为Cc(s)＝diag[Ctx(s)，Cty(s)，Crx(s)，Cry(s)，Crz(s)]，这样，整体位置反馈控制就由以下数学公式3来确定：

   {FC_p}＝[C_c(S)]{X_d-X_me}                    公式(3)其中X_d是理想刚体自由度的列矢量，即{X_d}＝[T₁]{G_d}，其中的G_d是所需气隙的列矢量。

图9示出了由具有双延迟滤波器的比例积分(PI)控制器构成的一例位置反馈补偿器104的模型框图，双延迟滤波器的数学表达式是公式4所述的Laplace(拉普拉斯)传递函数：

其中的K_s、K_p、t_p、t₃和t₄是系统常数，调整到最大的反馈带宽，同时对每个轴的AG对中控制确保适当的稳定性系数。和导轨不规则性输入信号一起还示出了加速度、速度以及平衡体的位置。平衡体上的力是外部的作用力和位置及加速度反馈产生的力。在一个实施例中，ta＝tp＝0.001秒，t1＝0.03秒，t2＝0.01秒，t3＝0.015秒，t4＝0.006秒。气隙坐标控制器共享检测器的信息，同时用所有的导向头10、20、30、40产生力和转矩，它使用局部的单输入、单输出反馈控制方式，使有源磁导向原理中存在的环路交扰的不稳定效应尽量减少。

公式4的分子和分母代表比例增益120及积分器122、积分增益124和双低通滤波器132的变量。公式4中传递函数的常数是通过试验确定的系统参数，并且在系统运行一段时间后必须进行周期性的调整。

如图所示，位置反馈控制器104包括比例控制器104a和104b。位置反馈常数K_s控制较高频的突发频率，常数K_p控制静态弹性比率(static spring rate)，时间常数tp在删去静态反馈时用于控制各种频率。位置反馈控制器104还有一个双延迟滤波器104c。然而，本发明的范围不仅限于某种特定的位置反馈补偿器。

图9(a)和9(b)示出了另一实施例的模拟框图。图9(a)表示一个具有微分控制104(d)′的PID控制器，它还有一个双延迟滤波器104(e)，由于微分的固有的无限响应和动态响应范围会在控制系统中造成不应有的噪声，在系统控制中没有一个纯的微分器，因此需要这一双延迟滤波器。双延迟滤波器104(e)′在其达到饱和状态时用于消除来自微分器响应的不应有的噪声。

图9(b)示出了一个PI位置反馈控制器104″，其输出提供给相加节点199。图中也有一个双延迟滤波器201。

2.加速度反馈补偿器

局部—整体加速度坐标控制器202可以由模拟或数字系统来实现。如果采用数字方式，可以使用图7中的同一个处理器同时执行其各种功能，如果采用独立的处理器，其结构则与图1所示的数字信号处理器相同，包括一个中央处理单元100a，它通过总线100b连接到RAM 100c、ROM 100d和输入/输出100e。

加速度反馈控制器200还包括加速度反馈补偿器204、206、208、210和212，它们响应整体坐标加速度信号X_a、Y_a、RX_a、RY_a、RZ_a，用于提供坐标整体力或转矩加速度反馈补偿信号FC_Xa，FC_Ya，FC_Mxa，FC_Mya，FC_Mza。加速度反馈补偿器204、206、208、210、212的数学表达式是一个矩阵[M(S)]＝diag[Mtx(s)，Mty(s)，Mrx(s)，Mry(s)，Mrz(s)]，它们各自控制和补偿五个刚体自由度之一。

图9示出一个典型的加速度反馈补偿器204，下式是其数学表达式： $M\left(S\right)=\frac{\mathrm{Ka}}{(t1*s+1)(t2*s+1){(\mathrm{ta}*s+1)}^{\′}}$ 其中Ka是综合反馈增益，t1、t2和ta是三个第一阶延时，调节该延时可以在稳定性强度和性能之间实现一种平衡。在一个实施例中，t1被设定为10秒左右，以便限制加速度漂移的影响(用第一阶高通滤波器有效地体现积分作用)，t2和ta的值可以取为0.005至0.04秒左右，用于在振动反馈环中增加倾斜(roll-off)以提高系统的稳定性强度。

以这一公式为例，加速度反馈补偿器204把沿Xc轴的坐标整体加速度信号Xa变换成沿Xc轴的坐标整体力或转矩加速度反馈补偿信号FC_Xa。而加速度反馈补偿器206把沿Yc轴的坐标整体加速度信号Ya变换成沿Xc轴的坐标整体力或转矩加速度反馈补偿信号FC_ya。同样，加速度反馈补偿器208、210、212各自把绕着各个X、Y、Z轴的坐标整体加速度信号RX_a、RY_a、RZ_a分别变换成绕着各轴的坐标整体力或转矩加速度反馈补偿信号FC_Mxa，FC_Mya，FC_Mza(即为X转动，Y转动和Z转动)。在这一方案的基础上，任何熟悉本领域的人员都可以知道如何去实现一个典型的加速度反馈补偿器204、206、208、210、212。

3.用加速度反馈为例对坐标控制器进行单轴分析

在使用仅有位置反馈的传统磁定位方式时，应注意的一个要点是，应用于电梯的坐标控制器结构允许采用由加速度产生的反馈，这种反馈可以提高性能并降低成本。这是因为，惯用的磁定位技术需要有高得多的稳定性，因为它们没有考虑到运动的问题，其频率带宽的范围大约为300Hz。在应用于电梯时，磁定位的稳定性明显偏低，典型条件下仅有几Hz的频率带宽。此外，惯用的磁定位不能采用加速度反馈，因为它需要一种坐标变换。

由于轴向坐标控制可以有效地消除相互的影响，各轴的PID控制器可以独立地设计。然而，对此的讨论没有明确地考虑到结构的共振。这种共振总是存在的，并且会限制响应的速度。如果附带考虑到响应速度，可以采用一个稳定闭环。附录中示出了用Matlab程序代码写出的用于五个自由度之一的清单，以下的讨论是对一个轴进行计算机模拟试验的结果所做的分析。

在理想的电梯系统中，在定位问题上必须获得相对较高的静态弹性比率。所需的最小比率等级对前/后(f/b)定位来说是300N/mm，对左/右(s/s)定位而言是400N/mm。

电梯的定位不一定纯粹采用磁定位，并非每时每刻都需要保持悬浮状态。在运行时必须是完全悬浮的，而在乘客进出吊舱时，磁定位可以允许吊舱底部接触到具有适当结构的止动装置。

如附录中所示，定位计算机模型只是一个没有机械阻尼的二阶系统。“设备”的传递函数是

                   G＝1/(m*s².)

“控制器”的传递函数是

H＝(s²*Ka/(ta*s+1))+ks+(kp/(tp*s+1))

如果使用加速度反馈，用于实现位置反馈的控制器就是

             H_mod＝ks+kp/(tp*s+1)。

另一种可用的控制器是

H_filt＝H/((t1*s+1)*(t2*s+1))

如果和H_mod一起使用加速度反馈，就可以实现H。如果不用加速度，就必须采用H_filt。

在以下实例中可以检验系统的阶段响应。例如，质量取为一吨(1000kg)。在质量用吨为单位时，长度单位为mm。力的单位是牛顿。变量ks是用m*ω₀ ²计算的，其中ω₀＝2*π*f₀。位置反馈滤波器的时间常数tp＝30s。位置反馈滤波器的增益kp是一个参数。附加的变量kp+ks确定了以N/mm为单位的静态定位稳定性。变量kp远远大于变量ks。因此，变量kp是确定静态稳定性的主要因素。加速度反馈通过一个极低的低通滤波器获得阻尼。增益ka＝100(N/(mm/s²)，而用于加速度滤波器的时间常数ta＝10s。

在图11中采用100N的间隔，用位置与时间的关系曲线表示了对这一系统的分析。这里提供了一种在极为夸大的条件下检测系统响应的可能性，尽管这种条件只有在开始起动时才有可能出现。在电梯的应用场合，力通常在2至5秒内就会增大到100N。图10中的曲线表示了变量kp的范围为500-2000时的情况，其动态性能是可以接受的。

闭环曲线表示了作为频率的函数的定位稳定性，而图中所示的开环曲线可用于在图11(a)、(b)和图12(a)、(b)中评估结构共振的灵敏度。

图11(a)和(b)特别示出了传递函数GH的Bode曲线和从力输入到位置输出的反向闭环(CL)响应。反向闭环响应是以N/mm为单位的定位弹性比。常数kp＝500N/mm，其他参数与前面所用的相同。开环控制(OL)的过渡(增益＝0dB)频率为1.6Hz。该频率是主要由变量ks控制的。相位余量大于70度。对闭环响应的检验显示出0.01Hz时的增益为48dB。该系统的静态增益是54.6dB(20*log(500+39.4))。对于AMG应用的需要来说，其定位稳定性是足够的。

图11(a)和(b)示出了传递函数GH的Bode曲线以及从力输入到位置输出的反向闭环响应，并且表示了当变量kp从500被增大到2000N/mm时发生的情况。在0.01Hz处的静态增益达到60dB，比图11高12dB。图11中所示的开环(OL)曲线表示出了过渡发生在1.6Hz处。然而，增大kp并没有使结构共振的灵敏度和相位余量增大。

图13(a)和(b)示出了控制器的频率响应。如图所示，控制器H是无法实现的，因为其增益随着频率的增加而持续上升。如果在控制器中采用加速度反馈，就需要控制器Hmod。

H控制器可以和至少一个双延迟滤波器结合。图14(a)和(b)示出了增益与频率以及相位与频率的Bode曲线，以及采用一个双延迟滤波器的H-filt，并且在图14(c)中示出了由H和一个10Hz的双延迟滤波器获得的控制器。图中的转折频率还可以下移。在采用10Hz的双延迟滤波器时，系统性能不会下降。通过对类似图11的曲线进行检验可以加以证明。稳定性没有受到损害，而抑制高频共振的能力得到了增加。

现在来看图9(a)的系统。这是一个二阶系统，其固有频率为fo(wo＾2＝ks/m；wo＝2*π*fo)。系统的衰减率被限定为ξ＝(kd+ka/ta)/(4 *π*fo*m)。固有频率fo为1.0Hz。kd＝0，ka/ta＝10，ξ＝0.8。从理论上来说，系统衰减可以由变量kd或ka之一获得。然而在实际中宁愿采用变量kd的理由有两个。首先，如上所述，衰减信号可以减少噪声。其次，衰减信号与惯性空间有关。使用与惯性空间有关的衰减器可以提供固有的振动衰减。变量ka越大，对振动的衰减就越大。如果根据相对位置获得衰减信号，例如通过位置检测器获得信号，就可以使振动减小，直至衰减率达到大约0.3。若超出这一范围，衰减率的增大会使系统衰减，但也会把导轨的波动耦合到电梯上。当采用位置反馈获得的衰减被增大到ξ＝0.3以上时，来自导轨波动的振动就会增大。

把采用加速度反馈的坐标控制器的性能与不采用加速度反馈的坐标控制器的性能加以比较，就可以看出加速度反馈的运用可以提高系统的性能。性能的提高是因为在控制器中不需要微分环节，它体现为一个PI控制器。此外，采用加速度反馈的电梯系统还有一些优点。加速度反馈提供了与惯性空间有关的衰减。这对于抑制振动是非常有益的。这种控制器的设计还必须考虑到以下几种影响，即来自机械系统主轴间的耦合作用的影响、来自系统中非线性的影响，例如操作开/关制动及传感器的饱和形式的非线性，以及由发热等等造成的参数变化所产生的影响。另外，在具有位置反馈的电梯磁定位中采用加速度反馈可以实现振动控制和衰减控制。加速度反馈通过一个积分器或是低通滤波器，从而提供关于惯性的衰减。这种衰减方式比(用机械方式获得的)粘滞阻尼要有效的多。在一个实施例中，可以用积分的加速度输出和位置微分二者的反馈来获得最大的衰减。这种反馈包括积分和比例的加速度信息。这种反馈在机电反馈形成的质量增大之外又提供了与惯性有关的衰减。

D.力坐标检测器300

坐标控制装置16包括一个力坐标检测器300，它调整整体—局部力和转矩的控制。

在导向头10、20、30、40上所需的力和转矩的数学表达式FC_PA由下式5获得：

    {CC_xy}＝[T₃]{FC_PA}                           公式(5)其中CC_xy＝[CC_x1，CC_x2，CC_y1，CC_y2，CC_y3]′，而FC_PA＝[FC_Xp+FC_Xa，FC_Yp+FC_Ya，FC_Mxp+FC_Mxa，FC_Myp+FC_Mya，FC_Mxp+FC_Mza]，

T₃是由以下公式6限定的变换矩阵：

来自各个位置反馈补偿器104、106、108、110、112和各个加速度反馈补偿器204-212的需求经过适当的综合(即X-平移，Y-平移，X-转动，Y-转动，以及Z-转动)并被馈入采用了力控制变换装置314的力坐标检测器300。T3是力坐标检测器300的变换装置314所用的变换矩阵的数学表达式，用于把整体坐标系统GCS中的整体力和转矩补偿信号转换成坐标控制信号去控制局部坐标系统LCS₁₀、LCS₂₀、LCS₃₀中施加的力和转矩。

具体来说，力坐标检测器300响应坐标整体力或转矩位置反馈补偿信号FC_Xp，FC_Yp，FC_Mxp，FC_Myp，FC_Mzp，还响应坐标整体力或转矩加速度反馈补偿信号FC_Xa，FC_Ya，FC_Mxa，FC_Mya，FC_Mza，用于提供局部力坐标控制信号CC_x1，CC_x2，CC_y1，CC_y2，CC_y3。实际上，力坐标检测器300把相应的坐标整体力或转矩位置反馈补偿信号FC_Xp，FC_Yp，FC_Mxp，FC_Myp，FC_Mzp和坐标整体力或转矩速度反馈补偿信号FC_Xa，FC_Ya，FC_Mxa，FC_Mya，FC_Mza变换成相应的局部力坐标控制信号CC_x1，CC_x2，CC_y1，CC_y2，CC_y3，分别提供给模拟磁驱动器140、142、144、146、148。

力坐标检测器300包括加法电路302、304、306、308、310，它们分别响应坐标整体力或转矩位置反馈补偿信号FC_Xp，FC_Yp，FC_Mxp，FC_Myp，FC_Mzp，还分别响应坐标整体力或转矩加速度反馈补偿信号FC_Xa，FC_Ya，FC_Mxa，FC_Mya，FC_Mza。加法电路302、304、306、308、310分别提供综合的坐标整体力或转矩位置和加速度反馈补偿信号FC_Xpa，FC_Ypa，FC_Mxpa，FC_Mypa，FC_Mzpa。

力和转矩控制变换装置314响应综合的坐标整体力或转矩位置和加速度反馈补偿信号FC_Xpa，FC_Ypa，FC_Mxpa，FC_Mypa，FC_Mzpa，用于提供整体—局部力和转矩坐标控制信号CC_x1，CC_x2，CC_y1，CC_y2，CC_y3。

力和转矩控制变换装置314可以由模拟或数字电路构成。其功能可以由图7所示用做中央控制器100的同一个信号处理器来执行，或是采用一个与图7所示相同的单独的信号处理器，它包括一中央处理单元100a，通过总线100b连接到RAM 100c、ROM 100d和输入/输出100e。

IV.局部力发生装置18

如图6所示，在AMG系统的局部控制级包括模拟磁驱动器140、142、144、146和148，它们用于调制电磁铁线圈的电流，从而由六对电磁铁构成双向力发生器。应该认识到，对可能使用的电磁铁和其他类型的执行机构也可以使用其他类型的驱动器。

总之，模拟磁驱动器140、142、144、146和148分别响应局部力坐标控制信号CC_x1，CC_x2，CC_y1，CC_y2，CC_y3，用于向至少3个导向头10、20、30提供相应的局部坐标磁力F_x1，F_x2，F_y1，F_y2，F_y3。在美国专利US 5,294,757的图20中示出了这种模拟磁驱动器140、142、144、146和148。

特别是在导向头20上，在y₂轴向用二极管开关逻辑调制电磁铁22、24、26的电流从而产生受控力的驱动器140采用一种模拟PID控制方式来调节线28上需要的力与弯曲检测器信号14和15的平方差之间的误差。例如上述美国专利US 5,294,757号中所述，二极管开关逻辑和PID控制都是公知技术。

对于不同的电梯AG系统检测器和/或执行机构的构造，可以很容易地设计出不同的中央控制器100、振动控制器200和力坐标检测器300。本实施例所述的电梯AG系统中采用了最少的一组检测和执行机构控制了五个电梯刚体运动。然而，采用更多检测和/或执行机构的其他实施例也是可以实现的。

V.动态弯曲估算器400

通常，电梯吊舱构架会存在静态的扭曲，例如前-后间隙f/b不能形成平面，这样就会将误差引入AMG系统。

为克服这一问题，如图6所示，本发明包括一个动态构架弯曲计算器165，它与构架弯曲反馈控制器170协同工作。动态构架弯曲计算器165把局部测量的间隙G_m变换成标准的刚体预测位置Y₄o。加法器164把标准的刚体预测位置Y₄o与Y₄轴上的静态变形信号Y₄偏移162相加，并提供所需的局部间隙信号Y_4d，在加法器168上把信号Y_4d与测得的误差信号Y_4m相加，就得到了动态偏差信号dY₄。动态偏差信号dY₄被提供给构架弯曲反馈控制器170。

如图6所示，余下的f/b控制轴Y₄被用于控制电梯构架14中的动态f/b弯曲量。根据假定的刚体(无弯曲)运动由被测间隙的G_m矢量产生用于Y₄轴向的f/b间隙值。标准刚体预测位置Y₄o的数学表达式由下式7确定：

   Y₄o＝[01a0-e][T_f]{G_m}                     公式(7)对这些矩阵采用乘法，获得公式8：

   Y₄o＝[T₂]{G_m}                             公式(8)其中   T₂＝[001-11]。

根据来自前-后f/b间隙检测器的局部间隙测量信号y₁、y₂、y₃和y₄估算出y₄轴向的静态变形测量值y₄偏移。根据来自前-后f/b检测器的最初读数(Y₁i、Y₂i、Y₃i和Y₄i)估算出y₄轴向的静态变形测量值y₄偏移，计算公式见下式9：

    Y₄偏移＝Y₂i+Y₄i-Y₁i-Y₃i                  公式(9)

这样就可以由下述公式10确定导向头26处在前-后轴f/b方向上的动态偏差量：

    DY₄＝Y₄o＝Y₄偏移-Y₄                     公式(10)

然后可以提供一个与反馈补偿器140、142、144、146结构相似的反馈控制器170(C₄(S)，其ki＝0，用于控制电梯的动态构架弯曲量。

用于AMG对中控制系统的所需的设定值是在最初装配该系统时设定的。需要设定G_d的分量，以便在所有前-后(f/b)轴上平衡前、后间隙，以及在所有s/s轴上平衡左、右侧间隙。

VI.可选实施例

本发明的范围不仅限于产生五个局部力坐标控制信号CC_x1，CC_x2，CC_y1，CC_y2，CC_y3。例如局部力坐标控制信号可以包括由导向头40产生的第六控制信号CC_y4。这种方式利用了所有的六对产生力的电磁铁和间隙检测器，从而控制五个刚体自由度。这样，可以根据整体坐标系统GCS的刚体运动来确定局部坐标系统LCS_i中的刚体运动： $\left[\begin{array}{c}X1\\ X2\\ Y1\\ Y2\\ Y3\\ Y4\end{array}\right]\text{=}\left[\begin{array}{ccccc}1& 0& 0& -a& -c\\ 1& 0& 0& b& -c\\ 0& 1& a& 0& d\\ 0& 1& -b& 0& d\\ 0& 1& -b& 0& -e\\ 0& 1& a& 0& -e\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xc}\\ \mathrm{Yc}\\ {\mathrm{\θ}}_x\\ {\mathrm{\θ}}_y\\ {\mathrm{\θ}}_z\end{array}\right]$ 它可以被写成式11的紧凑矩阵表达式

    G_m＝AX_m                                 公式(11)

采用矩阵A的左翻转，就可以由全组的局部坐标系统LCS间隙检测器读数中确定整体坐标系统GCS各自由度的估算值。该值由公式12所限定的矩阵B表示：

    BA＝I₅                                公式(12)

通过左翻转可以使公式(13)中的整体坐标系统各自由度估算值中的误差减至最小：

B＝(A^TA)^-1A^T                            公式(13)参见Gilobert Strang，“Linear Algebra And Its Applications”，Academic Press Inc.，1976，PP.106-107。

在这一特定条件下的结果如下：其中 ${\mathrm{\α}}_1=\frac{-(\mathrm{ad}-\mathrm{bd}-\mathrm{ae}-3\mathrm{be})}{4(a+b)(d+e)}$ ${\mathrm{\α}}_2=\frac{\mathrm{ad}-\mathrm{bd}+3\mathrm{ae}+\mathrm{be}}{4(a+b)(d+e)}$ ${\mathrm{\α}}_3=\frac{3\mathrm{ad}+\mathrm{bd}+\mathrm{ae}-\mathrm{be}}{\text{4}(a+b)(d+e)}$ ${\mathrm{\α}}_4=\frac{\mathrm{ad}+3\mathrm{bd}-\mathrm{ae}+\mathrm{be}}{4(a+b)(d+e)}$

按照类似的方式很容易看出，在六个导向头上所需的力与FC的关系如式14所示

     CC_xy＝[T3]{Fc}                        公式(14)其中的T3是一个由下式限定的变换矩阵： $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{CC}}_{x1}\\ {\mathrm{CC}}_{x2}\\ {\mathrm{CC}}_{y1}\\ {\mathrm{CC}}_{y2}\\ C{C}_{y3}\\ {\mathrm{CC}}_{y4}\end{array}\right]=\left[T3\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Fx}\\ \mathrm{Fy}\\ \mathrm{Mx}\\ \mathrm{My}\\ \mathrm{Mz}\end{array}\right]$ 以及 $\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xc}\\ \mathrm{Yc}\\ {\mathrm{\θ}}_x\\ {\mathrm{\θ}}_y\\ {\mathrm{\θ}}_z\end{array}\right]-=\left[T1\right]\left[\begin{array}{c}X1\\ X2\\ Y1\\ Y2\\ Y3\\ Y4\end{array}\right]$

矩阵T1是矩阵T3的变换，反之亦然。

这样就可以扩展电梯AG系统，使其包括更多的检测(即包括yp4e位置和/或y4a检测器，并且分别为T1和/或T4矩阵增加另一个列)和/或更多的驱动器(即包括Ccy4驱动器，在T3矩阵中增加一行)。

如图6所示，力坐标检测器314提供额外的局部力坐标控制信号CC_y4。加法器312把这些信号加到来自反馈补偿器170的补偿信号C₄(S)上，提供一个偏置的局部力坐标控制信号CC_y4′，用其去驱动模拟磁驱动器150。在不包括动态弯曲控制的系统中，额外的局部力坐标控制信号CC_y4也可以直接被连接到模拟磁驱动器150。

如上所述，该坐标控制系统也可以用于其他的有源控制系统，例如美国专利US 5,294,757中所述的那种具有有源滚柱导轨的电梯系统，有可能更加有效地抑制振动。

由此可以看出，上述的目的以及可以从上文中推测出的目的都是可以实现的，并且在不脱离本发明范围的条件下可以对上述结构做出某些修改，因此，上述说明书和附图中包含的所有内容均应被视为是解释性的说明，并不构成对本发明的限制。

另外还要指出，附加的权利要求书的用意是要覆盖本发明的上述所有同类和特有的特征，并且包括本发明的所有文字说明内容。

                附录％onedofl.m％C.A.Skalski   12/2/93％preliminary design of magnetic bearing％mass is in tonnes，linear dimensions in mm，force in Newtonsclgm＝1；％mass in tonnesfo＝1；％natural frequencywo＝2*pi*fo；ka＝100；％acceleration feedback gain.ta＝10；％acceleration feedback lag time constanttp＝30；％position feedback lag time constantkp＝input(′kp′)；％position feedback gain ** kp+ks＝static spring rateks＝m*wo^-2；％spring rate at higher frequencies％feedback transfer function＝HHnum＝[ka*tp，(ka+ks*ta*tp)，((ta+tp)*ks+kp*ta)，kp+ks]；Hden1＝conv([ta 1]，[tp 1])；Hden＝[0 Hden1]；％forward gain＝G；Gnum＝[0 0 1]；Gden＝[m.001 0]；f＝logspace(-4，2，300)；w＝2*pi*f；％[numc，denc]＝feedback(Gnum，Gden，Hnum，Hden，-1)；numc＝conv(Gnum，Hden)；denc＝conv(Gden，Hden)+conv(Gnum，Hnum)；numo＝Hnum；deno＝conv(Gden，Hden1)；t＝0：.01：10；[pos，x]＝step(numc，denc，t)；plot(t，pos*1000)；title(′Position vs.T for 1000 N Applied to m＝1 Tonne′)ylabel(′position(mm)′)xlabel(′time(s)′)gridfigure(2)Gol＝freqs(numo，deno，w)；mag＝abs(Gol)；mag＝20*log10(mag)；ang＝anqle(Gol)；ang＝unwrap(ang)；ang＝(180/pi)*ang；％Gcl＝freqs(numc，denc，w)；magc＝abs(Gcl)；magc＝20*log10(magc)；angc＝angle(Gcl)；angc＝unwrap(angc)；angc＝(180/pi)*angc；subplot(211)，semilogx(f，mag，f，-magc)axis([.01，100，-20，80])

                       附录(续)％axis([1，10，20，20])gridtitle(′OL Gain(N/N)and CL Inverse Gain(N/mm)′)ylabel(′GAIN(dB)′)xlabel(′FREQUENCY(Hz)′)refline＝-180*ones(length(f)，1)；subplot(212)，semilogx(f，ang，f，angc，f，refline，′--′，f，-refline，′--，)％axis([.1，100，-360，360])axis([.01，100，-400，200])gridtitla(′OL and CL Phase′)ylabel(′PHASE (DEG)′)xlabel(′FREQUENCY(Hz)′)％figure(3)H＝freqs(Hnum，Hden，w)；magh＝abs(H)；magh＝20*log1p(magh)；angh＝angle(H)；angh＝unwrap(angh)；angh＝(180/pi)*angh；％Hmod＝freqs([tp*ks，ks+kp]，[tp 1]，w)；maghmod＝abs(Hmod)；maghmod＝20*log10(maghmod)；anghmod＝angle(Hmod)；anghmod＝unwrap(anghmod)；anghmod＝(180/pi)*anghmod；subplot(211)，semilogx(f，magh，f，maghmod)axis([.01，100，20，80])％axis([1，10，-20，20])gridtitle(′Gain of Compensators H and Hmod(N/mm)′)ylabel(′GAIN(dB)′)xlabel(′FREQUENCY(Hz)′)refline＝-180*ones(length(f)，1)；subplot(212)，semilogx(f，angh，f，anghmod，f，refline，′--′，f，-refline，′--′)％axis([.1，100，-360，360])axis([.01，100，-200，200])gridtitle(′Phase of Compensators H and Hmod′)ylabel(′PHASE(DEG)′)xlabel(′FREQUENCY(Hz)′)

Claims (23)

1.一种电梯系统包括一个电梯吊舱(12)，电梯吊舱具有一个构架，用于在大楼的电梯竖井导轨上操作，该系统的特征在于包括：

局部参数检测装置(14)，它响应在整体坐标系统(X、Y、Z)的五个自由度上分别测得的局部参数，提供局部参数信号(G_m、A_m)；

坐标控制装置(16)，它响应局部参数信号(G_m、A_m)，用于提供坐标控制信号(CC_x1，CC_x2，CC_y1，CC_y2，CC_y3)；以及

局部力发生装置(18)，它响应坐标控制信号(CC_x1，CC_x2，CC_y1，CC_y2，CC_y3)，用于提供坐标局部力(F_x1，F_x2，F_y1，F_y2，F_y3)，以便在构架与导轨之间维持所需的间隙，从而相对于大楼的电梯竖井调整电梯吊舱(12)的位置，其中电梯吊舱(12)在整体坐标系统(X、Y、Z)中的刚体运动在运动学上受到至少五个自由度的限制，这其中包括沿X轴的左右平移，沿Y轴的前后平移，绕X轴的俯仰转动，绕Y轴的横向转动，以及绕Z轴的左右转动。

2.按照权利要求1的电梯系统，其特征是，坐标控制装置(16)包括一位置反馈坐标控制器(100)，它响应局部参数信号(G_m、A_m)中的局部位置误差信号(G_m、G_me)，用于提供坐标整体力或转矩位置反馈补偿信号(FC_Xp，FC_Yp，FC_Mxp，FC_Myp，FC_Mzp)。

3.按照权利要求2的电梯系统，其特征是位置反馈坐标控制器(100)包括一个局部—整体坐标位置控制器(102)，它响应局部位置误差信号(G_m、G_me)中的局部位置误差信号(X_1pe，X_2pe，Y_1pe，Y_2pe，Y_3pe)，用于提供坐标整体位置误差信号(X_pe，Y_pe，RX_pe，RY_pe，RZ_pe)。

4.按照权利要求3的电梯系统，其特征是，控制器(100)包括位置反馈补偿器(104、106、108、110、112)，它们响应坐标整体位置误差信号(X_pe，Y_pe，RX_pe，RY_pe，RZ_pe)，用于提供坐标整体力或转矩反馈补偿信号(FC_Xp，FC_Yp，FC_Mxp，FC_Myp，FC_Mzp)。

5.按照权利要求4的电梯系统，其特征是，位置反馈补偿器(104、106、108、110、112)各自是一个比例—积分—微分控制器。

6.按照权利要求1的电梯系统，其特征是，坐标控制装置(16)包括一个加速度反馈坐标控制器(200)，它响应包括(X_1a、X_2a，Y_1a，Y_2a，Y_3a)的局部加速度信号(A_m)，用于提供坐标整体力或转矩加速度反馈补偿信号(FC_Xa，FC_Ya，FC_MXa，FC_MYa，FC_MZa)。

7.按照权利要求6的电梯系统，其特征是，加速度反馈坐标控制器(200)包括一个局部—整体加速度坐标控制器(202)，它响应局部加速度信号(X_1a，X_2a，Y_1a，Y_2a，Y_3a)，用于提供坐标整体加速度信号(X_a，Y_a，RX_a，RY_a，RZ_a)。

8.按照权利要求7的电梯系统，其特征是，局部—整体加速度坐标控制器(202)包括加速度反馈补偿器(204、206、208、210、212)，它们响应坐标整体加速度信号(X_a，Y_a，RX_a，RY_a，RZ_a)，用于提供坐标整体力或转矩加速度反馈补偿信号(FC_Xa，FC_Ya，FC_MXa，FC_MYa，FC_MZa)。

9.按照权利要求8的电梯系统，其特征是，加速度反馈补偿器(104、106、108、110、112)各自是一个比例—积分控制器。

10.按照权利要求1的电梯系统，其特征是，上述坐标控制装置(16)包括一个整体—局部力和转矩坐标控制器(300)，它响应坐标整体力或转矩位置反馈补偿信号(FC_Xp，FC_Yp，FC_MXp，FC_MYp，FC_MZp)，并且还响应坐标整体力或转矩加速度反馈补偿信号(FC_Xa，FC_Ya，FC_MXa，FC_MYa，FC_MZa)，用于提供坐标控制信号(CC_x1，CC_x2，CC_y1，CC_y2，CC_y3)。

11.按照权利要求10的电梯系统，其特征是，上述整体—局部力和转矩坐标控制器(300)包括加法电路(302、304、306、308、310)，它们响应坐标整体力或转矩位置反馈补偿信号(FC_Xp，FC_Yp，FC_MXp，FC_MYp，FC_MZp)，并且还响应坐标整体力或转矩加速度反馈补偿信号(FC_Xa，FC_Ya，FC_MXa，FC_MYa，FC_MYa)，用于提供综合的坐标整体力或转矩位置及加速度反馈补偿信号(FC_Xpa，FC_Ypa，FCM_Xpa，FC_MYpa，FC_MZpa)。

12.按照权利要求11的电梯系统，其特征是，上述整体—局部力和转矩坐标控制器(300)包括力和转矩变换装置(314)，它响应综合的坐标整体力或转矩位置和加速度反馈补偿控制信号(FC_Xpa，FC_Ypa，FC_MXpa，FC_MYpa，FC_MZpa)，用于提供坐标控制信号(CC_x1，CC_x2，CC_y1，CC_y2，CC_y3)。

13.按照权利要求1的电梯系统，其特征是上述驱动装置(18)包括模拟磁驱动器(140、142、144、146、148)，它们响应坐标控制信号(CC_x1，CC_x2，CC_y1，CC_y2，CC_y3)，用于向至少三个导向头(10、20、30)提供相应的坐标磁力。

14.按照权利要求1的电梯系统，其特征是间隙检测装置(14)包括至少一个非接触式位置检测器，用于测量电梯吊舱的构架与导轨之间的气隙，并用于提供局部间隙测量信号。

15.按照权利要求1的电梯系统，其特征在于进一步包括一个动态弯曲估算装置(400)，它响应局部位置误差信号(G_m、G_me)，用于提供附加的整体坐标力位置反馈补偿控制信号(FC_Y4p)，以便补偿电梯吊舱(12)的构架的任何动态弯曲现象。

16.按照权利要求15的电梯系统，其特征是，动态弯曲估算装置(400)包括一个动态弯曲估算装置(160)，它响应局部位置误差信号(G_me)，用于提供标准的刚体位置信号(y₄o)。

17.按照权利要求16的电梯系统，其特征是，上述动态弯曲估算装置(400)包括一个加法电路(164)，它响应标准刚体位置信号(Y₄o)，还响应动态偏差偏移信号(Y₄偏移)，用于提供估算的刚体位置信号(Y₄est)。

18.按照权利要求17的电梯系统，其特征是，动态弯曲估算装置(400)包括一个减法电路(168)，它响应估算的刚体位置信号(Y₄est)，还响应测得的刚体位置信号(Y₄m)，用于提供一个差值信号(Dy₄)。

19.按照权利要求18的电梯系统，其特征是，动态弯曲估算装置(400)包括一个位置反馈补偿装置(170)，它响应差值信号(Dy₄)，用于提供附加的整体坐标力位置反馈补偿控制信号(FC_Y4p)。

20.按照权利要求19的电梯系统，其特征是，上述力发生装置(18)包括一个模拟磁驱动器(150)，它响应附加的整体坐标力位置反馈补偿控制信号(FC_Y4p)，用于提供一个动态弯曲局部力(F_y4)给第四导向头(26)。

21.按照权利要求2的电梯系统，其特征是，进一步包括一个导轨记忆系统(80)，它包括导轨图形装置(80)，响应电梯吊舱(12)的标量垂直位置Vp，用于提供导轨图形信号(Xr)，还包括一个加法电路(82)，响应导轨图形信号(Xr)，还响应所需的标准间隙(G_o)，用于提供有关的所需局部间隙信号(G_d)，并且还包括一个减法装置(95)，它响应局部位置误差信号G_m，还响应有关的所需局部间隙信号G_d，用于以局部位置误差信号(X_1pe，X_2pe，Y_1pe，Y_2pe，Y_3pe)的形式提供测得的误差信号G_me。

22.按照权利要求1的电梯系统，其特征是，力坐标检测器314还提供一个附加的局部力坐标控制信号CC_y4。

23.按照权利要求22的电梯系统，其特征是，还包括一个加法器(312)，用于把附加的局部力坐标控制信号CC_y4加到来自反馈补偿器(170)的一个附加的整体坐标力位置反馈补偿控制信号(FC_Y4p)上，用于提供一个偏移的局部力坐标控制信号CC_y4′，用该信号去驱动模拟磁驱动器(150)。

Images